材料力学性能3

贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能第三章：金属缺口试样的力学性能•第三章:金属缺口试样的力学性能贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能第三章：金属缺口试样的力学性能•§3-1缺口效应贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-1缺口效应•一、缺口及缺口效应：•缺口：一般指试样或工件的截面急剧变化处；•缺口效应：在缺口处由于缺口的存在，影响了应力的分布状态，使之出现：•①应力状态变硬(由单向拉应力变为三向拉应力)；•②产生应力集中。•促发裂纹的生成与扩展，不利于材料的塑变(位错运动)，使材料在该处处于脆性状态(即使该材料为塑性材料)，易于发生脆性断裂；•此应力分布状态的改变，即为缺口效应。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-1缺口效应一、缺口及缺口效应：•由此推广：•①晶界、夹杂、组织不均匀处、粗大第二相、微裂纹及螺纹、尖角、倒角、台阶半径过小处，均有类似改变应力状态的缺口效应；•②ToC的下降或形变速率的增加也有不利塑变的作用，也可导致缺口效应。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-1缺口效应二、缺口应力分布：•圆柱型缺口试样，单向拉伸：•1.在远离缺口处，仅有轴向应力σL，且其应力线分布均匀；切向应力σt和法向应力σr均为零；•2.在缺口根部附近，轴向应力的应力线发生了弯曲，分布不再均匀，形成了应力集中；•3.缺口周围出现的无应力区，将阻止缺口附近截面的正常收缩，因而出现了切向应力σt和法向应力σr即三向拉应力,且σL、σr、σt的分布不均匀。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-1缺口效应二、缺口应力分布：•圆柱型缺口试样应力分布：无应力区及三向应力的产生贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-1缺口效应二、缺口应力分布：•而应力分布的不均匀程度可用应力分配系数K表示。•K=σmax/σ均：•K值的大小仅取决于缺口根部半径(可由设计手册查得)•综上分析所述，缺口可引起：•1)应力集中(或分布不均匀)：包括轴向应力σL，法向应力σr、和切向应力σt；•2)三向拉应力；•此即为缺口效应贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-1缺口效应三、塑性状态下缺口的应力分布：•τmax=(σ1-σ3)/2=(σL-σr)/2，在表面的τmax为最大值；•因应力分布不均匀，在拉伸过程中屈服时的塑性变形将是由缺口根部先局部进行，并逐渐过度到材料内部，不会均匀进行，•当τmaxτS=σS/2，即σL-σrσS(在表面σr=0)时，材料发生屈服并使表面的应力发生松驰，应力σL峰值向内移动；贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-1缺口效应三、塑性状态下缺口的应力分布：•由于τmax=(σL-σr)/2，σr在表面为零并在一定深度才达到最大值，即开始时σr是增加的，故σL也须增加才能使屈服和塑性变形继续内移，即需提高外力P。但提高P也会使得σr增加，为维持整体的连续变形，必然要求σL大大增加。•随着外力P的继续增加，屈服也由表及里地进行着，σL的分布则出现最大值，并且该最大值的位置随着应力的增加而也由表及里地移动着，并标志着屈服区与纯弹性变形区的分界，最终可能使得缺口试样总的σS(记为σSN)大幅提高并超过无缺口试样的σS，出现σSNσS的“缺口强化”现象，此即为缺口效应的第三种表现。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-1缺口效应三、塑性状态下缺口的应力分布：•σb也可能同样出现：σbNσb的现象；•Note：此处仅指塑性材料；对于脆性材料，其σS(τS)接近于σb(τb)，即当σmax(τmax)σS(τS)后，仅发生少量变形σmax(τmax)即达σb(τb)而断裂，缺口根部仅发生了很小的塑性变形，使σS(τS)大幅增加的现象尚未能出现就发生早期脆断，其σbNσb•qe(或NSR)=σbN/σb表示材料的缺口敏感度：•qe1称该材料对缺口不敏感；•qe≤1则称该材料对缺口敏感。•对测试qe所进行的试验叫缺口试验。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能第三章：金属缺口试样的力学性能•§3-2缺口试验贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-2缺口试验一、缺口拉伸：•一般仅测σbN值，并与σb比较；不测σSN•一般如qe1(σbNσN)，就叫材料对缺口不敏感；反之为敏感。•但缺口试样的断面收缩率ψKN肯定低于ψK，但ψKN不易测量，也不常使用•缺口试样偏斜拉伸试验：•采用更硬的应力状态来对材料对缺口的敏感性进行测试：•一般采用在试样拉伸夹头上放置一偏斜垫圈（倾角为0o、4o、8o三种）的方式•也只测σbN值和计算qe值。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-2缺口试验二、缺口静弯曲试验：•由于弯曲试验不能用于塑性较好的材料，故常用缺口试样以增加其局部应力集中，使及其应力状态系数变硬，其塑性仍以扰度来表示；除缺口抗弯强度σbbN外还可测量其三个能量吸收区：•Ⅰ区：弹性区，其面积表示所吸收的能量为UⅠ：弹性功•Ⅱ区：弹塑性变形区，UⅡ：塑性功；•Ⅲ区：断裂区(裂纹扩展区)，UⅢ：裂纹扩展功•UⅡ、UⅢ表示了材料的抗塑变能力及对裂纹扩展的抗力，以及缺口对抗力的影响。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能第三章：金属缺口试样的力学性能•§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能一、冲击载荷•弹性力学行为以声速传播，一般的冲击载荷的加载及变形速度均远小于声速，故冲击载荷对弹性力学形为无影响；•塑性变形的传播速度取决于位错的运动速度及增殖速度，在冲击载荷下，塑性变形来不及充分、均匀地进行；•实验也证明：冲击载荷下塑性变形集中于某些局部区域，分布极不均匀；•冲击载荷的作用持续时间短，其应力状态不易准确及时地测量（有示波冲击试验机可作，但也不稳定，数据波动大，分散性大，且试验设备昂贵）。•冲击载荷下一般只测定试样在变形的各阶段或总阶段所吸收的能量。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能二、缺口冲击试验：•试样：10×10×55(mm)；开有2mm深的U形或V形缺口，分别称为梅氏试样或夏氏试样，特脆材料可不开缺口。•U型缺口•冲击试验原理：能量原则——摆锤冲断试样前后所产生的能量损失AK(J)；•AK=mg(H1-H2)αK=AK/FF=8×10(mm2)贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能缺口冲击试验断口：贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能二、缺口冲击试验：•试样：10×10×55(mm)；开有2mm深的U形或V形缺口，分别称为梅氏试样或夏氏试样，特脆材料可不开缺口。•冲击试验原理：能量原则——摆锤冲断试样前后所产生的能量损失AK(J)；•AK=mg(H1-H2)αK=AK/FF=8×10(mm2)•三、冲击韧性αK值:•材料在受到冲击载荷的作用下发生断裂时所吸收的能量总和。•冲击韧性αK值：为综合性的力学性能指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力大小。•理论上常用AK代替αK贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能三、冲击韧性αK值：•αK值：任何能提高材料的强度而不降低塑性、或提高塑性而不降低强度的因素均可以提高材料的αK值。•它表征了材料在不断裂情况下能够承受的最大冲击能量，综合了强度与塑性两方面的影响，并且对材料的组织缺陷非常敏感，特别适于生产中的质量管理控制。•αK值常用于评定材料的韧、脆性品质，是钢材由钢厂出厂时必须达到的力学性能指标(σS,σb,δ,ψK,αK)；在设计中作为保证受冲击构件的安全性的主要指标使用。•但理论界认为αK值对材料的韧性的描述和意义有很大的局限性和不准确性。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能三、冲击韧性：•理论界认为：•1.αK值无明确的物理意义：•AK有明确物理意义：为冲断试样所消耗的总功（试样断裂所吸收的总能量）。但该能量在试样横载面上的消耗和分布是极不均匀的，绝大多数被吸收在缺口附近，故AK/F仅为数学值，无物理意义；•AK所包含也不仅为试样断裂分离时所吸收，还有相当一部分转变成了热能，但这部分热能在工程构件受实际的冲击并致断裂时也会产生，不能想办法完全地将其消除；•但AK值与F也有关系，且无法排除F对其影响，只得仍以AK/F来近似消除。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能三、冲击韧性：•2.AK值相同时材料，其韧性也不一定相同：•示波冲击：载荷—时间（或挠度）曲线：AK则分为三个部分，AⅠ、AⅡ、AⅢ；•其中AⅠ为弹性功，只有AⅡ与AⅢ（尤其是AⅢ）的大小才真正表示了材料的断裂的韧脆状态，但AK值高并不一定AⅡ、AⅢ也高；•后有人提出以AⅢ或AⅡ+AⅢ来表达材料的冲击韧性(记为：Ap)，然而却给不出其简便的测试方法；且完全地排除弹性变形功AⅠ对材料抗冲击破坏的贡献，也有不合理的地方，且在工程上的应用也不现实。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能三、冲击韧性：•因此尽管理论界认为αK值对材料的韧性的描述和意义有很大的局限性和不准确性，但又提不出一个理论意义明确的且测试方法简便易行的指标来代替之。在生产实践中只得继续使用αK值，显示了αK值强大的生命力。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能三、冲击韧性：•而αK值的生命力体现在其工程应用上：•1.长期的广泛应用，积累了大量的经验数据资料，这些数据资料非常实用且有效；•2.检测简便易行，检测设备价格低廉；•3.对材料内部的组织缺陷，对材料的品质、宏观缺陷、材料显微组织的变化非常敏感；•4.生产实践证明：作为控制和检验冶炼、热加工(锻、轧、焊、热处理)质量的力学性能指标非常有效。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能四、冲击韧性αK值的应用：•㈠评定材料的冶金质量及热加工质量及组织缺陷:–---冲击韧性αK值对其非常敏感•1.夹杂（渣）、气泡、带状偏析；•2.过热、过烧、氧化、脱碳、网状组织、粗大碳化物、白点、回火脆性、淬火裂纹、锻造裂纹、压力加工后组织的各向异性等等等等；•对组织缺陷：αK最为敏感；塑性指标δ、ψK敏感，强度指标σb、σS较为敏感；而弹性模量E对组织不敏感。•试验要求：试样合理的缺口型式，使材料处于半脆性状态内进行，而对一般钢材，梅氏试样可满足该要求（该要求提高了试验的敏感性）。贵州大学贵州正邦科技有限公司制作材料力学性能金属缺口试样的力学性能§3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能四、冲击韧性αK值的应用：•㈡评定材料在不同温度下的脆性转化趋势：–——系列冲击试验•1.低温系列温度冲击试验：-测定评价材料的冷脆转变•成份、热处理及压力加工工艺完全相同的试样分组分别在不同的温度T℃下进行冲击韧性αK值的测试：测试温度范围由-60℃(或-80℃)—+40℃，测出每组的αK值(平均)，作出其αK—T℃变化关系曲线，称为系列冲击曲线。•可由曲线得到冷脆转变温度FATT（断口有50%脆断区或结晶断裂区）或T